[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse eines elektrischen Energiespeichers,
insbesondere eines Akkumulators oder einer Batterie, wobei der Energiespeicher in
einem elektrischen Energieversorgungssystem mit zumindest einem Verbraucher und zumindest
einer elektrischen Energiequelle elektrisch verbunden ist.
[0002] Des Weiteren betrifft die Erfindung ein elektrisches System zur Analyse eines elektrischen
Energiespeichers und ein elektrisches Energieversorgungssystem mit einem solchen Analysesystem.
[0003] Elektrische Energieversorgungssysteme, beispielsweise für Haushalte oder Gewerbebetriebe,
bestehen in der Regel aus mehreren Komponenten, unter anderem einem elektrischen Energiespeicher,
einem Wechselrichter und einer Steuerungseinheit zur Aufteilung der Lastflüsse ("Energiemanagementeinheit").
Zusätzlich können auch noch Energiequellen, wie zum Beispiel Photovoltaikanlagen,
in das Energieversorgungssystem eingebunden sein. Auf dem Markt existiert eine Vielzahl
von Herstellern von Komponenten für Energieversorgungssysteme. Meist werden bei Energieversorgungssystemen
ausschließlich Komponenten des gleichen Herstellers eingesetzt, da diese aufeinander
abgestimmt und miteinander kompatibel sind. Es ist aber auch prinzipiell möglich und
in manchen Fällen sogar wünschenswert, in einem Energieversorgungssystem Komponenten
von unterschiedlichen Herstellern miteinander zu kombinieren. Manche Komponenten von
Energieversorgungssystemen benötigen jedoch zur korrekten Funktionsweise einen Datenaustausch
mit anderen Komponenten des Energieversorgungssystems. Beispielsweise soll die Steuerungseinheit
einen momentanen Ladezustand und andere Parameter des Energiespeichers abfragen können,
sodass die Steuerungseinheit die Lastflüsse im Energieversorgungssystem an den Betriebszustand
des Energiespeichers anpassen kann bzw. der Energiespeicher in ein bestehendes Energiekonzept
bzw. Energiemanagement eingebunden werden kann. Viele Komponenten für Energieversorgungssysteme
erlauben jedoch nur einen Datenaustausch mit Komponenten des gleichen Herstellers.
Ein Datenaustausch zwischen Komponenten verschiedener Hersteller ist oft gar nicht
oder nur mit zusätzlichem Aufwand möglich. Es wäre jedoch wünschenswert, in einem
Energieversorgungssystem Komponenten verschiedenster Hersteller ohne zusätzlichen
Aufwand und ohne Einschränkung der Funktionsweise kombinieren zu können. Insbesondere
wäre es wünschenswert, wenn andere Komponenten eines Energieversorgungssystems Kenntnis
über den Betriebszustand eines Energiespeichers erlangen könnten, ohne dass ein Datenaustausch
mit dem Energiespeicher stattfinden muss. Auf diese Weise könnte ein Energiespeicher
eines Herstellers in ein Energieversorgungssystem mit Komponenten eines anderen Herstellers
auf einfache Weise integriert werden, ohne dass die Funktionsweise des Energieversorgungssystems
beeinträchtigt würde.
[0004] Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der
WO 2018/104948 A1 und der
US 2019/0056451 A1, sind Energiespeicher bzw. Verfahren zur Bestimmung von Parametern von Energiespeichern
bekannt.
[0005] Im Lichte der obigen Ausführungen ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die
Nachteile des Standes der Technik zu lindern oder gar gänzlich zu beseitigen. Insbesondere
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zur Analyse
eines Energiespeichers zur Verfügung zu stellen, mit denen zumindest ein Parameter
eines in ein Energieversorgungssystem integrierten Energiespeichers bestimmt werden
kann, ohne dass ein Datenaustausch mit dem Energiespeicher erforderlich ist.
[0006] Gelöst wird diese Aufgabe zunächst durch ein Verfahren nach Anspruch 1. Demnach ist
erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art vorgesehen, dass ein
Energiefluss in den oder aus dem Energiespeicher gemessen wird und iterativ auf Basis
erfasster Werte des gemessenen Energieflusses zumindest ein Parameter des Energiespeichers
bestimmt wird. Vorteilhafterweise ist durch das erfindungsgemäße Verfahren kein Datenaustausch
mit dem Energiespeicher bzw. dessen Steuerungseinheit mehr notwendig, um zum Beispiel
Informationen über den Ladezustand oder die Nutzkapazität des Energiespeichers zu
erlangen. Der Wert des zumindest einen mit dem Verfahren bestimmten Parameters kann
vor Beginn des Verfahrens unbekannt sein. Zur Bestimmung des zumindest einen Parameters
des Energiespeichers wird der elektrische Energiefluss in den oder aus dem Energiespeicher
gemessen, gespeichert und ausgewertet. Als Basis zur Messung des Energieflusses können
zumindest die Messwerte von Strom und Spannung dienen. Die Messung des Energieflusses
kann beispielsweise durch ein oder mehrere Wattmeter oder ein oder mehrere Smart Meter
erfolgen. Der Energiefluss ist eine Leistungsgröße und besitzt die Einheit Energie
pro Zeit, insbesondere Watt oder Joule pro Sekunde. Auf Basis des Energieflusses in
oder aus dem Energiespeicher kann zumindest ein Parameter des Energiespeichers bestimmt
werden, der insbesondere zuvor unbekannt war oder auf welchen aus den oben erläuterten
Gründen kein Zugriff bestand. Durch Kenntnis des zumindest einen Parameters kann der
Energiespeicher effizienter gesteuert und beispielsweise besser in ein bestehendes
Energiekonzept eingebunden werden. Die Anwendung des Verfahrens ist insbesondere vorteilhaft,
wenn ein fremder Energiespeicher eines Herstellers in ein Energieversorgungssystem
mit Komponenten eines anderen Herstellers integriert werden soll. Wie eingangs ausgeführt,
ist in solchen Fällen meist kein Zugriff auf die Parameter des Energiespeichers möglich,
da viele Energiespeicher keinen Datenaustausch mit Komponenten anderer Hersteller
erlauben. Der gemessene Energiefluss stellt - je nach Richtung - zu jedem Zeitpunkt
eine Momentaufnahme der Leistungsaufnahme oder der Leistungsabgabe des Energiespeichers
dar. Vorzugsweise kann durch ständige Messung des Energieflusses und unter Berücksichtigung
bisher gemessener Werte des Energieflusses der zumindest eine Parameter des Energiespeichers
bestimmt und laufend angepasst werden. In einer Ausführungsform können in einer Lernphase
zu Beginn der Anwendung des Verfahrens, bevor der zumindest eine Parameter bestimmt
oder endgültig bestimmt wird, die gemessenen Werte des Energieflusses über einen Zeitraum,
beispielsweise zumindest eine oder mehrere Stunden, aufgezeichnet und abgespeichert
werden. In dieser Lernphase kann auch eine angeschlossene Last aktiviert oder deaktiviert
werden, um den Energiespeicher zum Laden bzw. Entladen "anzuregen". Der zumindest
eine Parameter kann dann anschließend an die Lernphase auf Basis der abgespeicherten
Werte bestimmt werden. Der zumindest eine Parameter kann selbstverständlich auch nach
Abschluss der Lernphase auf Basis weiterer gemessener Werte des Energieflusses laufend
angepasst oder neu bestimmt werden. Die ständige Ermittlung des Energieflusses kann
zeitdiskret, d.h. in zeitlich regelmäßigen oder auch unregelmäßigen Abständen, erfolgen.
Aus den gemessenen Werten des Energieflusses kann ein zeitlicher Verlauf, auch Energieverlauf
bezeichnet, der in den Energiespeicher fließenden und aus dem Energiespeicher entnommenen
Energie ermittelt werden. Der Energieverlauf kann aus dem Energiefluss insbesondere
durch dessen zeitliche Integration ermittelt werden. Der Energieverlauf wird vorzugsweise
gespeichert, sodass zu jedem vergangenen Zeitpunkt ein entsprechender Wert der Energie
zur Verfügung steht. In einer Ausführungsform kann auf Basis dieses zeitlichen Verlaufs
der zumindest eine Parameter bestimmt werden. Bei dem zumindest einen Parameter kann
es sich beispielsweise um eine momentan im Energiespeicher enthaltene Energie, eine
momentan mindestens verfügbare Kapazität des Energiespeichers, insbesondere eine momentan
mindestens verfügbare Lade- oder Entladekapazität, eine Nutzkapazität des Energiespeichers,
einen Ladezustand des Energiespeichers, einen Eigenverbrauch des Energiespeichers,
einen Lade- und Entladeverlust des Energiespeichers, einen Wirkungsgrad, einen Energiespeichermodellparameter
oder einen Parameter einer Lade- oder Entladecharakteristik des Energiespeichers handeln.
Unter Lade- oder Entladecharakteristik sind unter anderem die Ladeleistung und die
Entladeleistung umfasst.
[0007] Es können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren selbstverständlich auch mehrere der
genannten Parameter bestimmt werden. Eine momentan mindestens verfügbare Kapazität
des Energiespeichers ist eine Energiemenge, die zu einem bestimmten Zeitpunkt für
Lade- oder Entladezwecke des Energiespeichers mindestens zur Verfügung steht. Die
mindestens verfügbare Kapazität kann demnach, je nach Anwendung, eine Energiemenge
sein, die mindestens in den Energiespeicher geladen oder diesem entnommen werden kann.
Die mindestens verfügbare Kapazität kann demnach eine Ladekapazität oder eine Entladekapazität
des Energiespeichers sein. Die Nutzkapazität eines Energiespeichers ist die maximale
Energiemenge eines Energiespeichers, die auch tatsächlich zu Lade- und Entladezwecken
genutzt werden kann. Die Nutzkapazität ist in der Regel geringer als die Nennkapazität
des Energiespeichers, da nicht die gesamte Nennkapazität eines Energiespeichers genutzt
werden kann. Die Nutzkapazität entspricht Summe aus Ladekapazität und Entladekapazität.
Der Ladezustand des Energiespeichers, auch als SoC ("State of Charge") bezeichnet,
kann z.B. in Prozent angegeben werden und stellt die momentan im Energiespeicher enthaltene
Energiemenge bezogen auf dessen Nutzkapazität dar. Der zumindest eine Parameter, der
bestimmt wird, muss nicht über die Zeit konstant sein, sondern kann auch variieren,
wie etwa der Ladezustand. Der zumindest eine Parameter wird daher iterativ bestimmt.
Iterativ bedeutet, dass der zumindest eine Parameter laufend neu bestimmt oder angepasst
wird, und zwar auf Basis bisher erfasster und neu gemessener Werte des Energieflusses.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass nach jeder neuen Messung des Energieflusses
der zumindest eine Parameter angepasst oder neu bestimmt wird. Die Messungen können,
wie bereits erwähnt, zeitdiskret erfolgen, beispielsweise alle 1 bis 10 Sekunden.
Natürlich sind auch kürzere oder längere Intervalle möglich. Durch die iterative Bestimmung
des zumindest einen Parameters kann der durch das Verfahren bestimmte Wert des Parameters
dem tatsächlichen Wert des Parameters im Laufe der Zeit angenähert werden. Der Energiespeicher
kann aus mehreren Zellen oder Sub-Energiespeicher bestehen und beispielsweise auch
einen integrierten Wechselrichter aufweisen.
[0008] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass auf Basis
erfasster Werte des Energieflusses eine Nutzkapazität des Energiespeichers als Parameter
bestimmt wird. Vorzugsweise wird aus den gemessenen Werten des Energieflusses ein
zeitlicher Verlauf der in den Energiespeicher fließenden und aus dem Energiespeicher
entnommenen Energie ermittelt, beispielsweise durch zeitliche Integration des Energieflusses.
Dieser zeitliche Verlauf kann, wie oben bereits ausgeführt, auch als Energieverlauf
bezeichnet werden. Aus dem Energieverlauf können ein vorzugsweise globales Minimum
und ein vorzugsweise globales Maximum bestimmt werden. Durch Differenzbildung zwischen
dem vorzugsweise globalen Maximum und dem vorzugsweise globalen Minimum kann die Nutzkapazität
des Energiespeichers bestimmt werden. Die Maxima und Minima des Energieverlaufs können
sich im Laufe der Zeit ändern. Dementsprechend können auch diese iterativ bestimmt
werden und die Nutzkapazität des Energiespeichers entsprechend angepasst bzw. neu
bestimmt werden. Je länger das Verfahren angewandt wird, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit,
dass sich die globalen Maxima und Minima nicht mehr ändern und die ermittelte Nutzkapazität
der tatsächlichen Nutzkapazität angenähert ist. Aus diesem Grund kann, wie oben bereits
erwähnt, vorzugsweise eine Lernphase vorgesehen sein, in welcher der Energiefluss
in den oder aus dem Energiespeicher aufgezeichnet wird. Die Lernphase kann beispielsweise
für eine festgelegte Zeitdauer durchgeführt werden. Die Lernphase kann auch so lange
dauern, bis sich das globale Maximum und das globale Minimum des Energieverlaufs für
einen vorgegebenen Beobachtungszeitraum nicht mehr ändern. Das globale Maximum und
das globale Minimum werden in der Lernphase laufend angepasst. Anfänglich entspricht
das (einzige) Maximum dem globalen Maximum. Dieses wird gespeichert und falls ein
neues Maximum das globale Maximum überschreitet, wird das globale Maximum gemäß diesem
neuen Wert neu festgelegt. Gleiches gilt für das globale Minimum. Nach Beendigung
der Lernphase steht das globale Maximum und das globale Minimum und damit die Nutzkapazität
fest. Das Verfahren selbst kann jedoch nach Beendigung der Lernphase fortgesetzt werden,
da sich andere Parameter, wie beispielsweise der Ladezustand des Energiespeichers,
ändern können. Diese Änderungen werden durch das Verfahren erfasst.
[0009] In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird auf Basis erfasster Werte des
Energieflusses als Parameter eine momentan in dem Energiespeicher enthaltene Energie
bestimmt. Die momentan im Energiespeicher enthaltene Energie kann, wie der Energieverlauf
im Allgemeinen, beispielsweise durch zeitliche Integration des gemessenen Energieflusses
in den oder aus dem Energiespeicher bestimmt werden. Es versteht sich von selbst,
dass die Integration eines Anfangswerts bedarf, der beispielsweise zunächst bei Null
liegen kann. Anschaulich gesprochen kann bei dieser Ausführungsform vorgesehen sein,
dass der Energieverlauf, also der zeitliche Verlauf der in den Energiespeicher fließenden
und aus dem Energiespeicher entnommenen Energie, bestimmt wird. Ein zeitlicher Endpunkt
dieses Energieverlaufs stellt die momentan im Energiespeicher zur Verfügung stehende
Energie dar, wobei der Endpunkt durch neu gemessene Werte des Energieflusses ständig
verändert wird und zeitlich fortschreitet.
[0010] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zumindest eine Nutzkapazität
und eine momentan im Energiespeicher enthaltene Energie bestimmt.
[0011] In einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass auf Basis der momentan
in dem Energiespeicher enthaltenen Energie und der Nutzkapazität des Energiespeichers
ein momentaner Ladezustand des Energiespeichers bestimmt wird. Der momentane Ladezustand
des Energiespeichers kann bestimmt werden, indem die momentan im Energiespeicher enthaltene
Energie in ein Verhältnis zur Nutzkapazität gesetzt wird.
[0012] In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird auf Basis erfasster Werte des
Energieflusses als Parameter eine momentan mindestens verfügbare Kapazität des Energiespeichers
bestimmt. Die mindestens verfügbare Kapazität kann eine mindestens verfügbare Ladekapazität
oder eine mindestens verfügbare Entladekapazität sein. Aus dem oben beschriebenen
Energieverlauf können ein vorzugsweise globales Minimum und/oder ein vorzugsweise
globales Maximum bestimmt werden. Eine Differenz zwischen dem vorzugsweise globalen
Minimum und der momentan im Energiespeicher enthaltenen Energie stellt eine momentan
mindestens verfügbare Entladekapazität des Energiespeichers dar. Eine Differenz zwischen
dem vorzugsweise globalen Maximum und der momentan im Energiespeicher enthaltenen
Energie stellt eine momentan mindestens verfügbare Ladekapazität des Energiespeichers
dar. Eine Entladekapazität bezeichnet eine Energiemenge, die dem Energiespeicher entnommen
werden kann. Eine Ladekapazität bezeichnet eine Energiemenge, die in den Energiespeicher
geladen werden kann.
[0013] Vorzugsweise wird zur Messung des Energieflusses in oder aus dem Energiespeicher
ein elektrischer Strom in und aus dem Energiespeicher sowie eine elektrische Spannung
am Energiespeicher gemessen. Das Produkt aus gemessenem Strom und gemessener Spannung
zu einem bestimmten Zeitpunkt ergibt den Energiefluss zu diesem Zeitpunkt. Die Richtung
des Stromes legt die Richtung des Energieflusses fest.
[0014] In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die zumindest eine Energiequelle, beispielsweise
eine Photovoltaikanlage oder ein Versorgungsnetz, elektrische Energie in Abhängigkeit
des zumindest einen Parameters in den Energiespeicher speist. Wie oben ausgeführt,
kann der zumindest eine Parameter beispielsweise ein Ladezustand oder eine momentan
mindestens verfügbare Lade- oder Entladekapazität des Energiespeichers sein. Wenn
beispielsweise ausreichend Ladekapazität zur Verfügung steht, kann die Energiequelle
elektrische Energie in den Energiespeicher laden. Es können auch mehrere Energiequellen
vorhanden sein.
[0015] Vorzugsweise ist die zumindest eine Energiequelle ein elektrisches Versorgungsnetz,
insbesondere ein Wechselstromnetz, oder eine Photovoltaikanlage.
[0016] Um den Energiespeicher noch umfassender zu analysieren, kann auch ein Energiefluss
in die oder aus der zumindest einen Energiequelle gemessen und beispielsweise zur
Bestimmung des zumindest einen Parameters des Energiespeichers herangezogen werden.
Die Messung an der Energiequelle kann durch eine weitere Messeinheit, beispielsweise
ein Smart Meter, erfolgen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Energiefluss
an einem Einspeisepunkt der Energiequelle, insbesondere an einem Einspeisepunkt des
Versorgungsnetzes oder der Photovoltaikanlage, gemessen wird. Wenn mehrere Energiequellen
vorhanden sind, kann vorgesehen sein, dass der Energiefluss in sämtliche oder aus
sämtlichen Energiequellen gemessen wird. Bei dieser Ausführungsform kann beispielsweise
festgestellt werden, unter welchen Bedingungen der Energiespeicher aktiv wird und
dabei Energie aufnimmt oder abgibt. Eine mögliche Bedingung, unter welcher der Energiespeicher
Energie aufnimmt, kann beispielsweise vorliegen, wenn am Einspeisepunkt bzw. an den
Einspeisepunkten der Energiequelle/n eine Überschussenergie bzw. Überschussleistung
vorhanden ist, die vom Energiespeicher aufgenommen wird. Es wird also der Zeitpunkt,
zu dem alle bekannten Komponenten des Systems versorgt sind und überschüssige Energie
zum Einspeisen ins Netz vorhanden ist, erkannt. Wird diese Überschussenergie nun von
der weiteren Messeinheit gemessen, ist der Energiespeicher ab diesem Zeitpunkt aktiv
und nimmt die Überschussenergie auf. Die Kenntnis über die Bedingungen, unter welchen
der Energiespeicher aktiv wird, ermöglicht oder erleichtert in weiterer Folge die
Steuerung des Energiespeichers.
[0017] Die eingangs erwähnte Aufgabe wird weiters durch ein elektrisches System zur Analyse
eines elektrischen Energiespeichers nach Anspruch 10 gelöst, wobei das Analysesystem
aufweist:
zumindest eine Messeinheit, insbesondere ein Smart Meter, zur Erfassung eines Energieflusses
in einen oder aus einem elektrischen Energiespeicher, insbesondere einem Akkumulator
oder einer Batterie;
eine Auswerteeinheit, welche dazu eingerichtet ist, iterativ auf Basis erfasster Werte
des gemessenen Energieflusses zumindest einen Parameter des Energiespeichers zu bestimmen.
[0018] Das Analysesystem ist dazu eingerichtet, das oben beschriebene Verfahren auszuführen,
wenn es in ein elektrisches Energieversorgungssystem mit einem elektrischen Energiespeicher
eingebunden ist. Hinsichtlich der Vorteile und Funktionsweise des Analysesystems wird
auf die obigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen. Sämtliche Merkmale
des Verfahrens sind auch auf das Analysesystem in entsprechender Weise übertragbar.
Bei dem Analysesystem kann es sich um ein verteiltes System handeln. Die zumindest
eine Messeinheit und die Auswerteeinheit können somit örtlich getrennt sein und beispielsweise
über einen Server miteinander kommunizieren. Zwischen der zumindest einen Messeinheit
und Auswerteeinheit kann jedenfalls ein Datenaustausch stattfinden. Die zumindest
eine Messeinheit kann Messsensoren zum Erfassen von Strom und Spannung aufweisen.
Die zumindest eine Messeinheit ist dazu eingerichtet, direkt oder indirekt den Energiefluss
in den oder aus dem Energiespeicher zu erfassen.
[0019] Die Erfindung betrifft ein elektrisches Energieversorgungssystem, das folgendes aufweist:
- zumindest einen elektrischen Verbraucher;
- zumindest eine elektrische Energiequelle;
- zumindest einen elektrischen Energiespeicher; und
- ein elektrisches Analysesystem der oben beschriebenen Art, wobei der elektrische Verbraucher,
die Energiequelle, der Energiespeicher und die zumindest eine Messeinheit des Analysesystems
elektrisch miteinander verbunden sind.
[0020] Im Folgenden wird die Erfindung an Hand von Figuren näher erläutert, auf die sie
allerdings nicht eingeschränkt sein soll. Darin zeigen:
- Fig. 1A und Fig. 1B
- jeweils schematisch ein elektrisches Energieversorgungssystem mit einem elektrischen
Energiespeicher;
- Fig. 2
- einen schematischen zeitlichen Verlauf der im Energiespeicher enthaltenen Energie;
und
- Fig. 3
- ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
[0021] Fig. 1A und Fig. 1B zeigen beispielhaft unterschiedliche Varianten eines Energieversorgungssystems
1 mit einem elektrischen Energiespeicher 2, einem Wechselrichter 3, einem Verbraucher
4, einer ersten Energiequelle 5 in Form eines dreiphasigen Wechselstromnetzes 6 und
einer zweiten Energiequelle 5 in Form einer Photovoltaikanlage 7, welche elektrisch
entsprechend miteinander verbunden sind. Der Energiespeicher 2 kann innerhalb seines
Gehäuses beispielsweise eine Steuerung, ein Managementsystem und eine Wandlereinheit
3' aufweisen.
[0022] Mit Hilfe zumindest einer Messeinheit 8, insbesondere einem Smart Meter 9, kann direkt
oder indirekt ein elektrischer Energiefluss F in den oder aus dem elektrischen Energiespeicher
2 gemessen werden. Zu diesem Zweck werden von der zumindest einen Messeinheit 8 eine
Spannung U und/oder ein Strom I gemessen. Daraus kann dann die elektrische Leistung
bzw. der Energiefluss F in den oder aus dem Energiespeicher 2 bestimmt werden. Gegebenenfalls
kann auch nur der Strom I gemessen werden, falls die Spannung U als konstant angenommen
werden kann. Das Produkt der Spannung U und des Stromes I ergibt den Energiefluss
F bzw. die Leistung oder eine hierfür repräsentative Größe, wobei die Richtung des
Stromes I die Richtung des Energieflusses F vorgibt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
sind zwei Messeinheiten 8 vorgesehen. Eine Messeinheit 8 ist in der Nähe des Energiespeichers
2 und eine weitere Messeinheit 8 an einem Einspeisepunkt 20 vorgesehen. Benötigt wird
für das Verfahren jedoch nur zumindest eine Messeinheit 8, mit der der Energiefluss
F in den oder aus dem Energiespeicher 2 bestimmt werden kann. Es können auch mehr
als die dargestellten Messeinheiten 8 vorgesehen sein. Zwischen der Messeinheit 8
in der Nähe des Energiespeichers 2 und dem Energiespeicher 2 sind keine Verbraucher
angeordnet. Die Messeinheit 8 in der Nähe des Energiespeichers 2 kann auch in den
Energiespeicher 2 bzw. dessen Gehäuse integriert sein. Die gemessenen Werte des Energieflusses
F können von den Messeinheiten 8 einer Auswerteeinheit 10, beispielsweise via Funk
oder kabelgebunden, gegebenenfalls über einen Server, zur Verfügung gestellt werden.
Die Auswerteeinheit 10 kann örtlich getrennt von den Messeinheiten 8 sein. Zumindest
eine Messeinheit 8 und die Auswerteeinheit 10 bilden eine Minimalkonfiguration eines
Analysesystems 21 zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
[0023] Die gemessenen Werte der Messeinheit 8 am Einspeisepunkt 20 können genauso wie die
gemessenen Werte, die durch die Messeinheit 8 in der Nähe des Energiespeichers 2 gemessen
werden, an die Auswerteeinheit 10 übertragen und bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
berücksichtigt werden. Mit Hilfe der Messeinheit 8 am Einspeisepunkt 20 kann beispielsweise
festgestellt werden, unter welchen Bedingungen am Einspeisepunkt 20 der Energiespeicher
2 aktiv wird, d.h. Energie E aufnimmt oder abgibt. Beispielsweise kann dies der Fall
sein, wenn Überschussenergie am Einspeisepunkt 20 vorhanden ist. Mit diesen Kenntnissen
kann das Energieversorgungssystem 1 effizienter gesteuert bzw. der Energiespeicher
2 in ein Energiemanagementkonzept eingebunden werden.
[0024] Fig. 1A und Fig. 1B zeigen jeweils unterschiedliche Varianten eines Energieversorgungssystems
1. In Fig. 1A ist der Energiespeicher 2 DC-seitig des Wechselrichters 3 angeschlossen.
Dementsprechend wird der Energiespeicher 2 mit DC (engl. DC = "Direct Current") geladen
bzw. entladen. Um unterschiedliche Spannungsniveaus auszugleichen, ist bevorzugt im
Energiespeicher 2 bzw. in dessen Gehäuse eine Wandlereinheit 3', beispielsweise ein
bidirektionaler DC/DC-Converter, integriert.
[0025] Fig. 1B zeigt eine alternative Konfiguration eines Energieversorgungssystems 1, wobei
der Energiespeicher 2 AC-seitig des Wechselrichters 3 angeschlossen ist (engl. AC
= "Alternating Current"). Im Folgenden wird nur auf die Unterschiede zu der Verschaltung
aus Fig. 1A eingegangen. Im Energiespeicher 2 bzw. dessen Gehäuse kann eine Wandlereinheit
3' in Form eines Wechselrichters bzw. Inverters integriert sein, um den Energiespeicher
2 mit Gleichstrom zu laden oder entladen. Die Messeinheit 8 vor dem Energiespeicher
2 kann entfallen, wenn die Wandlereinheit 3' eine Schnittstelle zur Verfügung stellt,
welche die Messwerte von Spannung U und Strom I zur Verfügung stellt.
[0026] Um die Lastflüsse in und aus dem Energiespeicher 2 zu steuern bzw. den Energiespeicher
2 bestmöglich in ein Energiemanagement einbinden zu können, sind Kenntnisse über dessen
Betriebszustand notwendig. In der Regel werden Parameter P des Energiespeichers 2,
wie eine Nutzkapazität C
nutz oder ein Ladezustand Qsoc, durch den Energiespeicher 2 über eine Datenschnittstelle
zur Verfügung gestellt. Ein Datenaustausch ist jedoch meist nur zwischen Komponenten
gleicher Hersteller möglich. Wenn jedoch der Energiespeicher 2 von einem anderen Hersteller
als die übrigen Komponenten des Energieversorgungssystems 1 stammt, dann können die
Parameter P des Energiespeichers 2 nur schwer oder gar nicht ausgelesen werden. Um
den Betriebszustand eines Energiespeichers 2 eines fremden Herstellers eruieren zu
können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Energiefluss F in den oder aus dem
Energiespeicher 2 gemessen wird und iterativ auf Basis erfasster Werte des gemessenen
Energieflusses F zumindest ein Parameter P des Energiespeichers 2 bestimmt wird. Iterativ
bedeutet, dass der zumindest eine Parameter P laufend neu bestimmt oder angepasst
wird, und zwar auf Basis bisher erfasster und neu gemessener Werte des Energieflusses
F. Es können auch mehrere Parameter P bestimmt werden. Beispiele für Parameter P sind
der Ladezustand Q
SOC, eine Nutzkapazität C
nutz oder eine mindestens verfügbare Kapazität C des Energiespeichers 2. Die mindestens
verfügbare Kapazität C kann eine momentan mindestens zur Verfügung stehende Ladekapazität
C
lade oder eine momentan mindestens zur Verfügung stehende Entladekapazität C
entlade sein. In Fig. 1A und Fig. 1B wird aus Gründen der Übersicht nur C
entlade als mindestens verfügbare Kapazität C dargestellt. Aber auch C
lade bildet eine mindestens verfügbare Kapazität C. Die Summe aus der momentan mindestens
zur Verfügung stehenden Ladekapazität C
lade und der momentan mindestens zur Verfügung stehenden Entladekapazität C
entlade ergibt die Nutzkapazität C
nutz. Eine Entladekapazität C
entlade bezeichnet eine Energiemenge, die dem Energiespeicher 2 entnommen werden kann. Eine
Ladekapazität C
lade bezeichnet eine Energiemenge, die in den Energiespeicher 2 geladen werden kann. Im
Folgenden wird beschrieben, wie die Parameter P des Energiespeichers 2 bestimmt werden
können.
[0027] Aus den gemessenen Werten des Energieflusses F kann durch zeitliche Integration ein
zeitlicher Verlauf der in den Energiespeicher 2 fließenden und aus dem Energiespeicher
2 entnommenen Energie E ermittelt werden. Der Verlauf der Energie E kann auch als
zeitlicher Energieverlauf 11 bezeichnet werden. Der Energieverlauf 11 bildet die zu
jedem Zeitpunkt im Energiespeicher 2 momentan enthaltene Energie E ab. Ein beispielhafter
Energieverlauf 11 ist in Fig. 2 dargestellt. Es ist erkennbar, dass aus dem Energiespeicher
2 im Laufe der Zeit t Energie E entnommen und zugeführt wird. Die Messung des Energieflusses
F erfolgt laufend und in zeitdiskreter Weise. Erkennt die Messung eine Aktivität (der
Energiespeicher 2 ist also aktiv) im Energiefluss F, beginnt zu einem Startzeitpunkt
12 die Aufzeichnung bzw. Übermittlung der Daten an die Auswerteeinheit 10. Anschließend
wird, beispielsweise im Rahmen einer anfänglichen Lernphase, der Energiefluss F gemessen
und aufgezeichnet. Durch weitere Messungen des Energieflusses F kann der Energieverlauf
11 fortgesetzt werden. Auf Basis des Energieflusses F bzw. aus dem Energieverlauf
11 können folgende Parameter P bestimmt werden:
Aus dem globalen Maximum 13 und dem globalen Minimum 14 des Energieverlaufs 11 kann
durch Differenzbildung eine aktuelle Nutzkapazität C
nutz des Energiespeichers 2 bestimmt werden. Durch Messungen des Energieflusses F über
einen längeren Zeitraum kann die aktuelle Nutzkapazität C
nutz der tatsächlichen Nutzkapazität des Energiespeichers 2 angenähert werden.
[0028] In Fig. 2 ist nur ein Ausschnitt eines Energieverlaufs 11 dargestellt. Durch die
Erfassung weiterer Messwerte des Energieflusses F kann der Energieverlauf 11 wie bereits
erwähnt fortgesetzt werden. Dabei kann auch unter Umständen ein neues globales Maximum
13 bzw. globales Minimum 14 des Energieverlaufs 11 auftreten. Durch die erfindungsgemäße
iterative Bestimmung der Parameter P wird eine allfällige Änderung des globalen Maximums
13 bzw. des globalen Minimums 14 erfasst und die aktuelle Nutzkapazität C
nutz angepasst bzw. neu bestimmt.
[0029] Der Energieverlauf 11 stellt die zu jedem Zeitpunkt im Energiespeicher 2 enthaltene
Energie E dar. Um die momentan, d.h. zum aktuellen Endpunkt 15, im Energiespeicher
2 enthaltene Energie E zu bestimmen, können der Endpunkt 15 und das globale Minimum
14 des Energieverlaufs 11 herangezogen werden.
[0030] Aus dem Energieverlauf 11 kann auch eine mindestens verfügbare Kapazität C bestimmt
werden. Die mindestens verfügbare Kapazität C kann eine momentan mindestens zur Verfügung
stehende Ladekapazität C
lade oder eine momentan mindestens zur Verfügung stehende Entladekapazität C
entlade sein. Durch Ermittlung einer Differenz zwischen der momentan im Energiespeicher 2
enthaltenen Energie E und dem globalen Minimum 14 kann die momentan mindestens verfügbare
Entladekapazität C
entlade des Energiespeichers 2 bestimmt werden. Die mindestens verfügbare Entladekapazität
C
entlade ist eine Energiemenge, die dem Energiespeicher 2 mindestens entnommen werden kann.
Die mindestens verfügbare Entladekapazität C
entlade kann der Energie E entsprechen. Wenn allerdings nicht die gesamte Energie E dem Energiespeicher
2 entnommen werden kann oder soll, können die Energie E und die mindestens verfügbare
Entladekapazität C
entlade voneinander abweichen. Durch Ermittlung einer Differenz zwischen der momentan im
Energiespeicher 2 enthaltenen Energie E und dem globalen Maximum 13 kann eine momentan
mindestens verfügbare Ladekapazität C
lade des Energiespeichers 2 bestimmt werden. Die mindestens verfügbare Ladekapazität C
lade ist eine Energiemenge, die in den Energiespeicher 2 geladen werden kann.
[0031] Auf Basis der momentan im Energiespeicher 2 enthaltene Energie E und der Nutzkapazität
C
nutz des Energiespeichers 2 kann zu jedem Zeitpunkt t ein momentaner Ladezustand Q
SOC des Energiespeichers 2 als Parameter bestimmt werden. Zur Bestimmung des momentanen
Ladezustands Q
SOC kann ein Verhältnis der momentan im Energiespeicher 2 enthaltenen Energie E zur Nutzkapazität
C
nutz gebildet werden und dieses Verhältnis beispielsweise in Prozent ausgedrückt werden.
[0032] In der Nutzkapazität C
nutz des Energiespeichers 2 kann auch eine Energiereserve für einen Notstrombetrieb enthalten
sein. Anders ausgedrückt ist die Energiereserve ein Teil der mindestens verfügbaren
Entladekapazität C
entlade, der im Notstrombetrieb genutzt werden kann.
[0033] In Fig. 3 ist ein beispielhaftes Ablaufdiagramm für das gegenständliche Verfahren
gezeigt, welches in der Auswerteeinheit 10 ausgeführt wird. Der zumindest eine Parameter
P des Energiespeichers wird durch Ausführung der Schritte 101 bis 108 bestimmt. Die
Schritte 101 bis 108 werden iterativ ausgeführt. In Schritt 101 wird der Ablauf gestartet.
Durch ständige Ermittlung des Energieflusses F werden Messwerte zur Verfügung gestellt.
In Schritt 102 wird anhand der Messwerte festgestellt, ob der Energiespeicher 2 geladen
oder entladen wird und damit aktiv ist. Bei inaktivem Energiespeicher 2 wird zunächst
gewartet (Schritt 103), bis der Energiespeicher 2 aktiv ist. Bei aktivem Energiespeicher
2 wird in Schritt 104 festgestellt, ob der Energiespeicher 2 geladen wird. Falls dem
nicht so ist, wird festgestellt, ob der Energiespeicher 2 entladen wird (Schritt 105).
Wenn der Energiespeicher 2 geladen oder entladen wird, wird der gemessene Energiefluss
F in Schritt 106 aufgezeichnet und zusammen mit einem Zeitstempel zyklisch gespeichert
(repräsentiert durch Block 107, der einen Datenspeicher darstellt). In Schritt 108
wird der zumindest eine Parameter P des Energiespeichers 2 wie oben beschrieben bestimmt.
Der Ablauf beginnt anschließend wieder von vorne bei Schritt 101, um den zumindest
einen Parameter P des Energiespeichers 2 aktuell zu halten. Aufgrund dieses gespeicherten
Energieflusses kann beispielsweise eine Darstellung gemäß Fig. 2 produziert werden.
[0034] Vorzugsweise werden nur Messwerte des Energieflusses gespeichert bzw. zur Bestimmung
des zumindest einen Parameters herangezogen, wenn der Energiespeicher 2 aktiv ist.
Dadurch gibt es in der Auswertung bzw. in der Darstellung (vgl. Fig. 2) keine oder
nur kurze konstante Linien der Energie E, sodass eine aussagekräftige Darstellung
mit steigenden und fallenden Linien resultiert. Es kann auch ein Energiefluss F einer
oder mehrere Energiequellen 5 berücksichtigt werden.
1. Verfahren zur Analyse eines elektrischen Energiespeichers (2), insbesondere eines
Akkumulators oder einer Batterie, wobei der Energiespeicher (2) in einem elektrischen
Energieversorgungssystem (1) mit zumindest einem Verbraucher (4) und zumindest einer
elektrischen Energiequelle (5) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Energiefluss (F) in den oder aus dem Energiespeicher (2) gemessen
wird und iterativ auf Basis erfasster Werte des gemessenen Energieflusses (F) zumindest
ein Parameter (P) des Energiespeichers (2) bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis erfasster Werte des Energieflusses (F) eine Nutzkapazität (Cnutz) des Energiespeichers (2) als Parameter (P) bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis erfasster Werte des Energieflusses (F) eine momentan in dem Energiespeicher
(2) enthaltene Energie (E) als Parameter (P) bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3 in Rückbeziehung auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis der momentan in dem Energiespeicher (2) enthaltenen Energie (E) und der
Nutzkapazität (Cnutz) des Energiespeichers (2) ein momentaner Ladezustand (QSOC) des Energiespeichers (2) als Parameter (P) bestimmt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis erfasster Werte des Energieflusses (F) eine momentan mindestens verfügbare
Kapazität (C), insbesondere eine mindestens verfügbare Ladekapazität (Clade) oder eine mindestens verfügbare Entladekapazität (Centlade), des Energiespeichers (2) als Parameter (P) bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung des Energieflusses (F) in oder aus dem Energiespeicher (2) ein elektrischer
Strom (I) in und aus dem Energiespeicher (2) sowie eine elektrische Spannung (U) am
Energiespeicher (2) gemessen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Energiequelle (5) elektrische Energie in Abhängigkeit des zumindest
einen Parameters (P) in den Energiespeicher (1) speist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Energiequelle (5) ein elektrisches Versorgungsnetz (6), insbesondere
ein Wechselstromnetz, oder eine Photovoltaikanlage (7) ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auch ein Energiefluss (F) in die oder aus der zumindest einen Energiequelle (5) gemessen
und beispielsweise zur Bestimmung des zumindest einen Parameters (P) des Energiespeichers
(1) herangezogen wird.
10. Elektrisches System (21) zur Analyse eines elektrischen Energiespeichers (2), aufweisend:
zumindest eine Messeinheit (8), insbesondere ein Smart Meter (9), zur Erfassung eines
Energieflusses (F) in einen oder aus einem elektrischen Energiespeicher (2), insbesondere
einem Akkumulator oder einer Batterie;
eine Auswerteeinheit (10), welche dazu eingerichtet ist, iterativ auf Basis erfasster
Werte des gemessenen Energieflusses (F) zumindest einen Parameter (P) des Energiespeichers
(2) zu bestimmen.
11. Energieversorgungssystem (1), aufweisend:
zumindest einen elektrischen Verbraucher (4);
zumindest eine elektrische Energiequelle (5);
zumindest einen elektrischen Energiespeicher (2); und
ein elektrisches Analysesystem (21) nach Anspruch 10, wobei der elektrische Verbraucher
(4), die Energiequelle (5), der Energiespeicher (2) und die zumindest eine Messeinheit
(8) des Analysesystems (21) elektrisch miteinander verbunden sind und die Messeinheit
(8) zur Erfassung des Energieflusses (F) in den und/oder aus dem Energiespeicher (2)
eingerichtet ist.